胡傳鳳，林欣欣

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

淺談活塞環(huán)優(yōu)化設(shè)計(jì)

胡傳鳳，林欣欣

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

文章主要介紹活塞環(huán)的不同結(jié)構(gòu)對(duì)活塞漏氣量的影響。通過4種設(shè)計(jì)方案的試驗(yàn)驗(yàn)證，減小第一道氣環(huán)閉口間隙、開口倒角、增加正扭結(jié)構(gòu)，增大第二道氣環(huán)閉口間隙均可以降低活塞漏氣量。優(yōu)化方案經(jīng)過可靠性驗(yàn)證，活塞漏氣量滿足設(shè)計(jì)要求。

活塞環(huán)；漏氣量；閉口間隙

活塞漏氣量過大，會(huì)導(dǎo)致缸內(nèi)壓力降低、發(fā)動(dòng)機(jī)功率不足、油耗上升，影響排放指標(biāo)；破壞油膜，加速機(jī)油的老化、變質(zhì)；甚至?xí)斐衫桌叩仁鹿?。因此，有效控制活塞漏氣量一直是主機(jī)廠關(guān)注和為之攻關(guān)的問題。

本文主要以某柴油機(jī)活塞環(huán)開發(fā)過程為例，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際情況，對(duì)活塞環(huán)進(jìn)行優(yōu)化，在保證整機(jī)性能及機(jī)油耗的前提下，達(dá)到降低活塞漏氣量的目的。

1 緒言

某發(fā)動(dòng)機(jī)400h全速全負(fù)荷試驗(yàn)，實(shí)測(cè)磨合后和每100h的漏氣量，具體如圖1所示，可見發(fā)動(dòng)機(jī)在高轉(zhuǎn)速下的漏氣量遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)值60L/min。

圖1 優(yōu)化前發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量

表1 缸孔變形量各階次測(cè)量值

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，漏氣量大是從發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行初期到試驗(yàn)結(jié)束，特別是轉(zhuǎn)速較高時(shí)，一直比較大；同時(shí)拆機(jī)后查看活塞、活塞環(huán)、氣缸套未發(fā)現(xiàn)有異常磨損，貼合正常。對(duì)氣缸孔變形量進(jìn)行檢測(cè)，數(shù)據(jù)也在正常范圍內(nèi)如表1所示，排除了缸孔變形引起的活塞環(huán)對(duì)口而產(chǎn)生的漏氣量偏大。因此將著重點(diǎn)放在活塞環(huán)自身的優(yōu)化設(shè)計(jì)上。

2 活塞環(huán)優(yōu)化方案

據(jù)資料介紹，第一道氣環(huán)將密封 80%-90%的氣體。應(yīng)該重點(diǎn)針對(duì)第一道氣環(huán)，同時(shí)考慮第二道環(huán)與之平衡，進(jìn)行優(yōu)化。故減小活塞漏氣量主要從以下兩個(gè)方面考慮：

第一道氣環(huán)優(yōu)化：直接減小漏氣通道，以減小漏氣量：減小活塞第一道氣環(huán)的閉口間隙和開口處倒角。

同時(shí)將第一道氣環(huán)增加正扭結(jié)構(gòu)，這樣使環(huán)與氣缸壁的面接觸變成了環(huán)外圓下棱邊與氣缸壁的線接觸，增強(qiáng)密封性；具體如圖2所示。

圖2 正扭曲環(huán)在工作時(shí)的接觸狀態(tài)

第二道氣環(huán)優(yōu)化：增大第二道氣環(huán)閉口間隙，主要是考慮到環(huán)的顫振問題，即第一道氣環(huán)和第二道氣環(huán)間的壓力因素，可以增大壓差ΔP，避免活塞環(huán)上下運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)的抬起懸浮現(xiàn)象，提高密封性能，第一道氣環(huán)的閉口間隙盡量的小，第二道氣環(huán)閉口間隙盡可能的大。輕型柴油機(jī)而言，第二道氣環(huán)閉口間隙一般為第一道氣環(huán)的2倍。第一道氣環(huán)、第二道氣環(huán)壓力示意圖見圖3所示。

圖3 活塞第一道氣環(huán)、第二道氣環(huán)壓力示意圖

具體優(yōu)化措施如下：

圖4 第一活塞環(huán)閉口間隙和開口倒角

（1）優(yōu)化第一道氣環(huán)的閉口間隙S1，由0.25mm-0.4mm，減小到 0.2mm-0.35mm；減小其開口端面的開口角 C1，由C0.25max，減小到 C0.15max，以增強(qiáng)閉口端密封能力。如圖4所示。

（2）第一道氣環(huán)增加正扭結(jié)構(gòu)，由雙梯桶面環(huán)優(yōu)化為正扭雙梯桶面環(huán)。如圖5所示。

（3）增大第二道氣環(huán)閉口間隙，由0.4mm-0.6mm增大到0.5mm-0.7mm。以增大壓差，提高密封性。

圖5 第一道氣環(huán)優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)對(duì)比

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述優(yōu)化方案的可行性，分別進(jìn)行4組對(duì)比試驗(yàn)，試驗(yàn)方案如表2，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示（四種方案在運(yùn)行100h測(cè)量漏氣量）。

表2 試驗(yàn)方案

由圖6可知，通過試驗(yàn)對(duì)比可知：方案D（優(yōu)化方案）最優(yōu)，方案C次之，方案B次之，A（原方案）最差。對(duì)比方案A、B可知：減小第一道氣環(huán)閉口間隙及減小開口倒角有助于減低漏氣量；對(duì)比方案B、C可知：適當(dāng)增大第二道氣環(huán)閉口間隙，增大第一道氣環(huán)和第二道氣環(huán)間壓差，可提高密封性能，降低漏氣量；對(duì)比方案C、D可知：第一道氣環(huán)增加正扭結(jié)構(gòu)，降低竄氣量。

圖6 四種方案100h漏氣量對(duì)比

由于第一道氣環(huán)閉口間隙的減小，需驗(yàn)證活塞環(huán)在發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行中是否會(huì)頂口，特挑選最小閉口間隙為0.2mm活塞環(huán)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，同時(shí)也為了驗(yàn)證試驗(yàn)后期活塞環(huán)漏氣量有無(wú)惡化，進(jìn)行800h交變負(fù)荷試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示活塞漏氣量穩(wěn)定在低于 60L/min，活塞環(huán)也沒有發(fā)生卡死、頂口現(xiàn)象。

其他性能指標(biāo)均在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，通過試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖7 800h交變負(fù)荷試驗(yàn)竄氣量

4 結(jié)論

隨著活塞環(huán)材料的提升和加工精度的提升，活塞環(huán)廠家可以把活塞環(huán)的閉口間隙及開口倒角進(jìn)一步做小，這將有利于密封，降低漏氣量。

通過適當(dāng)減小第一道氣環(huán)閉口間隙，增大第二道氣環(huán)閉口間隙，增加第一、二道氣環(huán)壓差，阻止活塞環(huán)的顫振，提高側(cè)隙密封效果。當(dāng)然，這也可以通過在活塞環(huán)槽處增加泄氣槽以達(dá)到該目的。

活塞環(huán)增加正扭結(jié)構(gòu)，可使環(huán)與氣缸壁的面接觸變成了環(huán)外圓下棱邊與氣缸壁的線接觸，增強(qiáng)密封性，降低漏氣量。

[1] 胡九見等.淺析發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量影響因素[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2014.10.

[2] 祝先標(biāo)等.輕型柴油機(jī)活塞環(huán)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)淺析[J].汽車使用技術(shù),2017.11.

[3] 吳志紅.改進(jìn)活塞環(huán)設(shè)計(jì)降低漏氣量[J].內(nèi)燃機(jī)配件,2005.1.

[4] 蔣景峰.淺析如何減少活塞環(huán)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)漏氣量的影響[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2010.12.

[5] 曹存軍.一例發(fā)動(dòng)機(jī)降低漏氣量的活塞環(huán)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2014.8.

Optimization design of piston ring for reducing piston blow-by

Hu Chuanfeng, Lin Xinxin
( The Center of Technology, Anhui Jianghuai Automobile Group Corp., Ltd, Anhui Hefei 230601 )

This paper mainly introduces the influence of different structure of piston air leakage of piston. Design four kinds of contrast test, according to the test results, reduce the first ring end gap, reducing the opening angle, torsion structure increase, increase the second ring end gap and so on, can reduce the air leakage. The reliability test shows that the piston air leakage meet design requirement.

Piston ring; Air leakage; End gap

U462.1

A

1671-7988 (2017)21-22-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.21.009

CLC NO.: U462.1

A

1671-7988 (2017)21-22-03

胡傳鳳（1987-），女，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心。主要從事發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量改進(jìn)工作。